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光ピックアップにおけるダンパー剤の機能と評価
スリーボンド･テクニカルニュース 平成 13 年１月１日発行 56 光ピックアップにおけるダンパー剤の機能と評価 はじめに ___________________________________________________ ＣＤ、ＭＤ、ＤＶＤを始めとしたオプティカルデバイス（以下 OPD）は家電、パソコン、ゲーム機、 カーナビゲーションなどに搭載されるようになってかなりの年月が経ちました。昨年の実績予測と して３億台、今年はさらに 10％前後の伸びが期待される一般的な記録デバイスです。その心臓部と もいえる光ピックアップレンズはレーザをディスク上の凹凸に照射させその反射光を読みとるため、 デバイス内外に発生するわずかな振動やサーボ機能（位置制御）による反作用をすばやく抑えるため に振動吸収剤＝ダンパー剤が用いられています。本稿では昨年開発したダンパー剤に着目し、その 役割と要求特性、評価方法を中心に紹介します。 目 次 はじめに･･･････････････････････････････････････････････････････････1 1. ダンパー剤の役割･･･････････････････････････････････････････････2 2. 弊社製品の特長･････････････････････････････････････････････････4 3. 評価方法･･･････････････････････････････････････････････････････5 ①針入度･･･････････････････････････････････････････････････････5 ②レーザードップラー振動系･････････････････････････････････････5 ③レオメーター･････････････････････････････････････････････････6 おわりに･･･････････････････････････････････････････････････････････8 1, ダンパー剤の役割 OPD はディスクに記録された凹凸＝ピットの有無をレー 外部から伝達する振動または外部へ伝達する振動を、でき ザで検出することにより再生（記録）するデバイスです。ピ るだけ小さくして伝えないようにすることです。②制振とは、 ット間の距離は CD の場合 1.6μm で、 これは髪の毛１本の 振動伝達部位に直接内部減衰の高い材料を貼り付けることに 間に 30 本トラックがあることになります。１枚の CD には より振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、振動を低減さ おおよそ 10 億個のピットが存在するので、高密度にピット せることです。③動吸振とは、振動発生部位に質量 (m)、バ （情報）が詰まっていることになります。またレーザ（波長 ネ定数(k)、粘性減衰係数(c)からなる動吸振器を設け、主振動 0.78μｍ）の 小さく絞った焦点をディスクに合わせるため± 系の問題となる周波数の振動エネルギーを動吸振器系にて吸 １μｍ以下でないと信号が読みとれません。CD の制御はス 収し減衰させること。 ④衝撃緩衝とは、物体に衝撃が加わっ パイラル状に線密度一定で並んでいるピットを読むため内周 た場合、物体に作用する衝撃力を低下させ、緩衝剤の内部減 と外周の回転数を調節する回転サーボ、レーザ光の焦点を合 衰に よりエネルギーを熱に変換し、反発エネルギーを低下さ わせるためピックアップ自体を上下に動かし焦点を合わせる せることです。以上よりピックアップに用いられるダンパー フォーカスサーボ、ピットの列をレーザ光が正確にトレース 剤には特に①と④の役割が要求されます。 するように左右を調整するトラッキングサーボからなってい 近年のピックアップ形状の傾向として細いワイヤー４本に 1) その３つのサーボから発生する振動や応力 ます。 （モータの よりピックアップレンズを支持する構造が主流となっており、 回転から発生する｢振動｣や、フォーカスサーボ、トラキング ワイヤーの根元付近にダンパー剤が使用されます。ダンパー サーボによる位置修正時の反作用）や外部からの｢振動｣を吸 剤は固形のタイプと液状のものを塗布しそれを硬化させるタ 収し、ピックアップレンズへ影響を与えないように常に機能 イプに大別できます。ピックアップ周辺の接着には紫外線硬 しているのがダンパー剤と呼ばれる材料です。 化性樹脂の使用実績が多数ありますが弊社はダンパー剤とし 振動を低減する代表的な技術として、①防振、② 制振、③ 2) ①防振とは、 動吸振、④衝撃緩衝の４つが挙げられます。 て加熱硬化型と紫外線硬化型の樹脂を上市しています。 ピックアップ駆動部（アクチュエータ）での振動特性で重 要な特性は共振点の周波数、特に一次共振点（F0）とそのピ ーク高さにあたるＱ値です（図 2） 。 ダンパー剤 裏面 dB Q値 ピット F0 図１. 2 ピットとピックアップ中心部 図２. Hz アクチュエータの F0 と Q 値 一次共振点について少し述べます。図３のような固定され た一自由度の金属板（矢印）をハンマーでたたく（振動を与 える）とその金属板は振動します。その振動を細かく分ける 3） く抑える必要があるため 10dB 以下（理想では 10～5dB） が要求されます。 図１に示したアクチュエータは２方向に自由度があるた と①＋②＋③＋･･･のように分けられます 。その周波数応答 め２軸アクチュエータと呼ばれています。ワイヤーの片側 曲線は図４のように表せますが①のような最初の共振点を一 でレンズを支持しもう片方が固定されている１自由度のバ 次共振点と呼びます。一次共振点は通常低周波数であり、振 ネとして考えることができ、支持体の質量(m)、ヤング率(E)、 幅が大きく力学的影響が大きくなる傾向があります。 直径(d)、長さ(l)が判れば F0 値は理論上計算で求めること ができます。またＱ値は振動の減衰比(ζ)に反比例し、また 材料の損失係数(tanδ)に比例することが判っています。 ①まげの一次 ②まげの二次 図３. 金属板の振動 図４. 周波数応答曲線 ③ねじれの一次 入力信号（上）と出力信号（下） 同様なことがピックアップにも言えます。図５はピックア ップの周波数応答曲線です。上から入力信号（スイープサイ ン波）、出力信号、周波数応答関数です。周波数応答関数はゲ イン特性と位相特性で表します。ゲイン特性とは系を信号が 通過することによって振幅がどう変化するかを表すもので、 Ｘ軸は周波数、Ｙ軸は入力に対する出力の振幅比（dB）で表 示されます。また位相特性は入力信号と出力信号との間での 位相の進み、遅れを表すもので、Ｘ軸は周波数、Ｙ軸は度ま たはラジアンで表示されます。 ゲイン（上）と位相（下） ピックアップに一次共振周波数がかかり続けると力学的に 大きな影響を与えてしまうため、その共振周波数が発生しない 図 5. アクチュエータの特性 ように設計されています。従って、F0（通常 30～50Hz）は耐 久試験後に初期値から変化しないこと、Ｑ値はなるべく小さい 方が振動を早く吸収できるため、また一次共振点での振幅を小 3 粘弾性体であるゲル材料の振動特性は、その分子構 既報 No.10 をご参照下さい）。光ピックアップ製造工程の作 造と平均分子量、極性構造と、添加される充填剤の粒 業環境に応じて、自動化ラインでは紫外線硬化タイプを、ま 子の形状、粒子径、表面構造などに大きく影響を受け たライン設備上紫外線照射機を導入できない場合には加熱硬 ます。ゲルに応力、ひずみが加わると、主鎖のマクロ 化タイプのバッチ処理を推奨しています。 ブラウン運動と側鎖のミクロブラウン運動による分子 昨年上市した樹脂は加熱硬化型の TB1230H（2 液）、 間の摩擦や充填剤との摩擦により、振動エネルギーが TB1238（1 液）と、紫外線硬化型の TB3168 です。以下に 熱エネルギーに変換され振動吸収現象が起こります。 それぞれの特徴を示します。 実際のダンパー剤の設計は以上のような理論から希 釈オイル量を増やしてただ軟化させるだけでなく、オ TB1230H, TB1238 の特長 リゴマーの構造の制御、架橋密度の調整、充填剤の配 ① 主成分はシリコーン樹脂で付加反応によって硬化します。 合量や粒子の形、希釈オイルの分子量や極性などが重 要なファクターとなります。 主成分は加熱硬化型のシリコーン樹脂 ②低温硬化 TB1238 は従来の一液付加硬化型シリコーンと比較して低 ２, 弊社製品の特長 温・短時間で硬化が可能です。 ダンパー剤は主にシリコーンを主成分としたプレポリマー によって構成されている樹脂です。振動吸収を目的とした材 ・使用上の注意 料は様々ありますが、シリコーン樹脂に特筆する理由として、 ヒドロシリル化反応は活性の高い金属触媒を使用しています。 温度の変化に対して弾性・粘性の変化が他の高分子材料と比 イオウ・リン・窒素化合物・有機金属塩等と接触することで 較して小さいことが挙げられます。一般にシリコーン樹脂は 触媒の活性が失われ、硬化阻害を起こす可能性がありますの ｢ゴム材料｣としての認識が高いですが、ダンパー剤に用いる で、そのような物質との接触または混合は避けて下さい。 シリコーン樹脂は特殊な性状を有しており、硬化後の性状は ｢ゲル状｣となります。これはダンパー剤が要求される周波数 TB3168 の特長 での振動吸収能力を高くするために取られた形態です。振動 ① 吸収能力をより高めるためにはゴムの持つ弾性のみでなく液 低温高温の広い範囲で同様な柔軟性を有するシリコーン 体が持つ粘性が必要となるからです。弾性・粘性につきまし 樹脂に UV 反応性基を持たせたプレポリマーです。 ては後述で詳細を示します。 ② 速硬化性、UV 過積算時の特性変化少 さて、弊社では加熱硬化タイプと紫外線硬化タイプの２つ ゲルは架橋点＝反応基が少ないので UV 硬化も遅くなる の異なる硬化媒体の樹脂を上市しています。いずれの樹脂も 傾向にあります。光硬化性の良い触媒や構造の工夫によ 硬化後の物性変化（特にダンピング特性）が著しく少なく、 りこれを実現しています。 また各硬化媒体にて速やかに硬化します。加熱硬化タイプは ③高耐久性 付加反応と呼ばれる反応（厳密にはヒドロシリル化反応とい 速硬化性による未反応成分の減少と充填剤による効果的な補 う）によって硬化し、一液性と二液性があります。一液性は 強で耐久性試験における変化を少なくしています。 そのまま塗布すれば良いため、ハンドリングの煩わしさはあ ④高信頼性 りません。しかし保存温度を二液性のものよりも低くしなけ ロット毎にゲルのレオロジー特性（後述）を測定し、バラツ ればならないという欠点があります。一方、二液性タイプは キを最小限にしています。 1:1 の混合により所定温度にて硬化します。硬化条件による 硬化度は一液性のものに準じますが、未混合では硬化が進行 しないことから、保存性が良いという長所があります。 また紫外線硬化タイプは紫外線の照射によるラジカル重合 によって硬化が進行します（反応メカニズムにつきましては 4 主成分は紫外線（UV）硬化型のシリコーン樹脂 ・使用上の注意 樹脂成分中の充填剤が沈降しやすいので使用前に必 ず攪拌して下さい。 表１. 性状と特性 商 品 名 スリーボンド1230H スリーボンド1238 スリーボンド3168 観 無色透明 無色透明 白色液体 法 二液加熱 一液加熱 紫外線照射 0.52(5.2) 15(150) 90 80 100 (80℃×60分) (100℃×60分) (3KJ/m2) 6100 5500 6000 1.1 1 0.9 1.13×1013 3.30×1013 2.74×1012 2.7×1014 9.45×1014 5.40×1013 誘導率（ 1 M H z ） 2.39 2.01 2.31 誘 導 正 接 （ 1 M H z） - - 0.0032 外 硬 化 方 粘 度 比 重 針 入 度 P a ・s ( P ) 0.97 * （ 3 0 H z ） Pa t a nδ（ 3 0 H z ） 体 積 抵 抗 率 Ω・m 表 面 抵 抗 率 Ω * 1/4 コーン ３, A剤B剤とも A剤B剤とも ※ （ 硬 化 条 件 ） G 0.44(4.4) 9.38g荷重 評価方法 先ほど特長について述べましたが、それを測定する方 ①針入度 法として弊社では以下に示す３種類を用いています。この 樹脂そのものの硬さを測定する一般的な手法で、JISK ３種類の方法によりダンパー剤の硬化度や信頼性の測定が 2220 に準じた方法で測定しています。測定のしくみは硬化 できるため、樹脂の設計にはいずれも欠かせない装置です。 物に傘の様な形状のコーンを突き刺し、その刺さった mm 数 ×10 で表現しています。例えばコーンが 5mm さされば針入 度は 50 となります。コーンの重さは 9.38g と 50g がありま す。 ②レーザードップラ振動計 これは実際のアクチュエータをメーカーから提供しても らい、ピックアップレンズを電気的に振動させながら周波 数特性（前述の F0 やＱ値）を測定する方法です。FFT との ユニットにより振動体の周波数と速度を測定し、その微積 4) 分により変位と加速度を演算します。 実機での測定はメーカーと同じ評価方法であるため信頼 性の高いデータを得られるメリットがありますが、反対にア クチュエータ自身の持つ種々のファクターも含まれること により、樹脂そのものの評価とは異なった特殊な試験方法と 図６. 針入度計 いえます。また当然ですが設計初期で形状が決まっていない ときや、機密保持のためにアクチュエータの提供がなければ 測定できません。アクチュエータのご提供に際しては機密保 持の締結を行うこともあります。 （前述図５参照） 5 また G'と G''の比を損失正接（tanδで表す）5) はダンパー剤 ③レオメーター この測定機は本来流体（未硬化時）の粘度や粘弾性測定 を設計する上で一つの指針となります。これらのパラメー が主目的の装置です。流体の粘性はチクソトロピー付与の ターを用いて樹脂の硬化度合、信頼性試験前後の変化、紫 場合や、塗布時（応力がかかっている時）と静置時、樹脂 外線の最適量などを測定しています。 温度によって挙動（流れ性）が異なります。塗布にはスク レーザードップラ振動計によるダンパー特性評価よりも簡 リーン印刷やディスペンス塗布、転写など様々な方法があ 易的で、評価項目数が多くより詳細な樹脂本来の特性が測 り、塗布方法にあわせた粘度の調整、設計が要求されてい れます。 ます。従来の回転粘度計よりも情報量が多く液体の塗布性 能評価に用いています。典型的な粘弾性挙動を示すダンパ ー剤の評価（樹脂の設計、改良、検査時）にも測定を行っ ています。 測定は試料に力学的ひずみ（応力）を与えた時に生じる 応力（ひずみ）を時間の関数として検出します。これらは 粘度、粘弾性として表すことができます。ダンパー剤が持 っている高分子材料本来の弾性率（これを貯蔵弾性率とい い、G'で表す）と弾性を緩和する粘性（これを損失弾性率 といい、G''で表す）は振動吸収特性に大きく関与します。 図７. レオメータープルーブ レオメーターによる耐久性測定例 －初期、80℃×1.2W－ 初期と80℃×1.2W後の粘弾性変化 図８. 測定条件 図８はレオメーターによりG*（複素弾性率：後述）と 装置：REOLOGICA 社製 DAR-100 Oscillation strain control 測定モード ジオメトリー P25 Gap 1.00mm Phase degree（位相角δ：後述）の環境試験前後の変 化を測定した結果です。TB3168はA社品に比べて初期と 0.5-50Hz 環境試験後の粘弾性特性の変化が少なく耐熱性が高い 25℃ といえます。この結果は当然、ピックアップのダンパ 周波数 測定温度 Strain 0.007 6 耐久性（80℃）データ ー剤として用いられた場合にも反映されます。 レオメーターによる耐久性測定例 2 図９はレオメーターで紫外線 硬化性を測定した結果です。紫外 線照射１パスを３J／cm2 とし、 最高 15J／cm2 まで照射した４つ の試料の測定グラフを１つに重 ねたチャートです。TB3168 は３ J／cm2 から 15J／cm2 までの曲 線はほぼ重なり、その間のレオロ ジー特性が変わっていないこと を示しています。一方、B 社品に 紫外線3, 6, 9, 15J/cm2照射時の粘弾性変化 ついては特に G*の曲線が帯状に 広がっています。これは紫外線硬 化性が遅く、また 15J／cm2 照射 してもレオロジー特性が飽和し ていないことを示しています。 図９. 紫外線硬化性と耐過積算性 動的粘弾性で基本的な公式はσ＝Ｇ*γ（応力＝複素弾 高分子材料などの粘弾性体に応力を加えたとき 性率×歪み）です。これはわかりやすくいえばフックの法 の応答の時間的な遅れは位相（Phase degree＝δ） 則（Ｆ＝ｋχ：力＝バネ定数×変位）と同じ関係になりま で表し、δは０～π／２の範囲に入ります。G'＝ す。レオメーターでは応力または歪みを一定にして G*を G''、δ＝π／４、tanδ＝１を境に G'＞G''のとき 測定しそれから G'､G''などのパラメータを計算します。 固体的、G'＜G''のとき液体的になります。 G*と G'､G''には次のような関係があります。 現在アクチュエータで測定した F0 とＱ値、低域 Ｇ*＝Ｇ'＋ｉＧ'' ･････(3) 感度などとレオメーターで測定したデータとの相 関関係について詳細に検討を行っています。 現時点では(4)のように F0 はバネ定数ｋに比例 するためゲルのバネ定数にあたる G*と相関する と考えられます。またＱ値については前述のよう に tanδと比例関係があると考えられますが、必 ずしも対応しているとは限らないため今後のデー タの蓄積が急務です。 図10. Ｇ*､Ｇ'､Ｇ''の関係 7 おわりに 昨年上市した樹脂はおかげさまで複数の光ピックアップメーカーで採用になり弊社のスタンダ ードグレードになりました。各グレードとも優れた硬化性と耐久性を有しています。それは各社での 信頼性試験に合格したことにも表れています。しかし、今後更なるダンピング特性、特に振動吸収能 力の向上（Ｑ値の低下）と、メーカー毎の光ピックアップ特性に合致したダンパー剤の開発をめざし て鋭意検討しております。 また、OPD 以外のデバイスの振動防止、防音、緩衝剤としての利用分野を探索していきたいと考 えております。 株式会社スリーボンド 研究所 開発部 電気開発課 藤 澤 恒 俊 岸 克 彦 研究企画課 北 澤 宏 政 参考文献 1）コンパクトディスク読本 中島平八郎、小川博司共著 オーム社出版局 2）ゲルハンドブック 長田義仁、梶原莞爾 編集代表 株式会社エヌ・ティー・エス 3）振動をみる 田中基八郎、大久保信行共著 オーム社出版局 4）FFT アナライザ実践活用セミナー資料 株式会社小野測器編 5）講座・レオロジー 日本レオロジー学会編 高分子刊行会 8